सिंथेटिक हीरे प्राकृतिक हीरों से अधिक शुद्ध, अधिक सुंदर और सस्ते हैं

• हीरा carbon atoms की 3D lattice से बना पदार्थ है, और लैब-निर्माण तकनीक प्राकृतिक हीरों की अशुद्धियाँ·खनन लागत·गुणवत्ता सीमाएँ पार कर उन्हें अधिक तेज़ी और कम लागत में बनाने की दिशा में विकसित हुई है
• 1950 के दशक में General Electric की उच्च दाब·उच्च तापमान (HPHT) synthesis के बाद metal solvent, catalyst, getter और temperature gradient control में सुधार हुआ, जिससे industrial उपयोग से आगे बढ़कर gem-quality single crystal उत्पादन संभव हुआ
• Chemical vapor deposition (CVD) कम-दाब reaction chamber में hydrogen और methane की मदद से diamond seed पर carbon उगाता है, और इसमें अत्यधिक pressure की ज़रूरत नहीं होती, इसलिए निर्माण प्रक्रिया को अधिक आसानी से देखा और नियंत्रित किया जा सकता है
• gem market में 1-carat near-colorless, VS-grade round brilliant synthetic diamond की कीमत 2016 में 5,440 डॉलर से घटकर 2024 में 1,325 डॉलर रह गई, और 2023 में शादी करने वाले couples के सर्वे में engagement rings में synthetic diamond की हिस्सेदारी 46% थी
• industry में synthetic diamond का उपयोग cutting, drilling, optics, heat dissipation और semiconductor candidate material के रूप में होता है, लेकिन semiconductor उपयोग के लिए अभी भी लागत, wafer size और n-type doping की समस्याएँ बाकी हैं

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हीरे के गुण और लैब-निर्माण का लक्ष्य

• हीरा, अपने Greek शब्द ἀδάμας से आए नाम की तरह, carbon atoms के cubic या hexagonal lattice से बना पदार्थ है
• मजबूत bonds और सघन atomic arrangement की वजह से यह प्राकृतिक पदार्थों में सबसे कठोर और compress करना सबसे कठिन है
• इसकी thermal conductivity और electrical resistance दोनों बहुत ऊँची हैं, लेकिन nitrogen, phosphorus और boron की थोड़ी मात्रा मिलाने पर इसे semiconductor बनाया जा सकता है
• शुद्ध हीरा रंगहीन होता है और प्रकाश का dispersion बहुत अधिक होता है, जबकि कुछ विशेष अशुद्धियाँ मिलने पर उसमें gem-grade रंग आ सकता है
• प्रकृति में हीरे के बनने में अरबों वर्ष लगते हैं, और अधिकांश प्राकृतिक हीरे में इतनी अशुद्धियाँ होती हैं कि वे jewelry या advanced industry में उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं होते
• लैब-निर्माण से अधिक तेज़, अधिक शुद्ध और सस्ते हीरे बनाए जा सकते हैं, जिससे ऐसे उपयोग संभव होते हैं जो पहले कठिन थे

हीरा carbon है, इस खोज की कहानी

• Antoine-Laurent de Lavoisier ने 1773 में Louvre के बगीचे में एक बड़े convex lens से सूर्यप्रकाश केंद्रित करके हीरे को जलाने का प्रयोग किया
  • कुछ हीरे पूरी तरह वाष्पित हो गए, और कुछ काले पड़ गए तथा उनका द्रव्यमान कम हुआ
  • Lavoisier ने हीरे और coal, दोनों को दहनशील पदार्थ माना, लेकिन वह यह निष्कर्ष नहीं निकाल सके कि दोनों एक ही पदार्थ हैं
• Smithson Tennant ने 1796 में हीरे को potassium nitrate वाले बंद gold tube में गर्म करके carbon dioxide बनाई और उसकी मात्रा मापी
  • समान वजन के charcoal को जलाने पर बनने वाली carbon dioxide की मात्रा लगभग बराबर होने के आधार पर उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि हीरा केवल carbon से बना है
  • इस परिणाम को लगभग 20 वर्षों तक संदेह के साथ देखा गया, और बाद में अन्य वैज्ञानिकों द्वारा पुनरुत्पादन के बाद इसे स्वीकार किया गया
• 19वीं सदी के शोधकर्ताओं ने वाष्पीकरण, विस्फोट और तीव्र गर्मी जैसी विधियों से charcoal को हीरे में बदलने की कोशिश की, लेकिन सफल नहीं हुए

Henri Moissan की असफलता और उससे मिली दिशा

• Henri Moissan ने electric arc furnace, carbon के विभिन्न रूपों और भूवैज्ञानिक अभिलेखों के आधार पर diamond synthesis की कोशिश की
• उन्होंने यह देखकर कि South African हीरे गहरी भूस्तरों से ऊपर आए पत्थरों में मिलते हैं, निष्कर्ष निकाला कि निर्माण प्रक्रिया में pressure आवश्यक है
• Canyon Diablo meteorite में iron mass के भीतर छोटे हीरे मिले थे, और Moissan ने माना कि carbon घुला हुआ molten iron जब तेजी से ठंडा होकर सिकुड़ता है, तब हीरा बन सकता है
• Moissan ने iron और charred carbon को 3,000°C तक गर्म करने के बाद water, iron filings और lead की मदद से rapid quenching का प्रयोग किया, और उन्हें विश्वास हुआ कि उन्होंने हीरा बना लिया है
• बाद में दूसरे chemists उनके परिणाम दोहरा नहीं सके, और यह संदेह भी उठा कि उनके सहायकों में से किसी ने प्राकृतिक हीरे के टुकड़े मिला दिए होंगे
• असफलता के बावजूद Moissan ने सही दिशा पहचानी कि diamond synthesis में उच्च दाब·उच्च तापमान और metal solvent catalyst महत्वपूर्ण हैं

General Electric और HPHT synthesis

• 1950 में General Electric Research Laboratory ने New York के Schenectady में Project Superpressure शुरू कर लैब में हीरा synthesis का काम शुरू किया
  • GE को bulb tungsten filament wire खींचने में इस्तेमाल होने वाले हीरों के आयात-खर्च की चिंता थी
  • कंपनी ने 125,000 डॉलर की, दो-मंज़िला ऊँचाई वाली hydraulic press लगाई, जो 1,000 ton pressure पैदा कर सकती थी
• Howard Tracy Hall ने 16 दिसंबर 1954 को graphite tube, iron sulfide, tantalum disk और diamond seed के साथ प्रयोग किया
  • उनके डिज़ाइन की belt press में ऊपर और नीचे के anvils reaction cell को compress करते थे, और किनारों को pre-stressed steel bands सहारा देते थे
  • प्रयोग लगभग 10GPa और 1,600°C की स्थिति में 38 मिनट तक चला
  • Hall ने cell खोलने पर octahedral crystals की छोटी चमकती सतहें देखीं और निष्कर्ष निकाला कि मानव-निर्मित हीरा बन गया है
• GE ने अगले दो हफ्तों में परिणाम 20 बार दोहराए, और 15 फ़रवरी 1955 को दुनिया के सामने लैब-निर्मित हीरे की synthesis की घोषणा की
• Hall की प्रक्रिया से बने हीरे का व्यास millimeter के हज़ारवें हिस्से के स्तर का था, इसलिए वे gem use के लिए उपयुक्त नहीं थे, लेकिन cutting, polishing, wire drawing और precision component forming जैसे industrial कामों में बहुत उपयोगी थे
• शुरुआती GE industrial diamonds प्राकृतिक हीरों से महंगे थे, लेकिन growth process को बहुत सटीक तरीके से नियंत्रित करके उनके shape और regularity को ज़रूरत के अनुसार बनाया जा सकता था, और उन्होंने जल्दी ही अपनी श्रेष्ठता साबित कर दी

गोपनीयता आदेश और press तकनीक का विकास

• अमेरिका के Commerce Department ने Cold War के दौरान तकनीकी बढ़त बनाए रखने के लिए Hall की belt press के विवरण के प्रकाशन और आगे के high-pressure chemistry research को सीमित किया
• द्वितीय विश्व युद्ध के समय अमेरिका industrial diamonds की आपूर्ति के लिए De Beers cartel पर निर्भर था, और 1944 के एक memo में कहा गया था कि अमेरिका युद्धकालीन उत्पादन के लिए ज़रूरी सामग्री पर monopoly prices चुका रहा है
• Hall ने एक-अक्षीय pressure देने वाली belt press को बेहतर बनाने के लिए 1957 में चार दिशाओं से pressure देने वाली tetrahedral press बनाई, लेकिन इस डिज़ाइन पर भी secrecy order लगा दिया गया
• बाद में वैज्ञानिकों और अन्य सरकारी एजेंसियों के विरोध के बाद Defense Department ने Commerce Department को belt press और tetrahedral press पर लगे secrecy orders हटाने का निर्देश दिया
• अधिक व्यावहारिक तरीके के रूप में cubic press का उपयोग हुआ, जिसमें छह hydraulic anvils cubic reaction cell की छह सतहों को दबाते हैं
  • cube का surface-area-to-volume ratio tetrahedron की तुलना में छोटा होता है, इसलिए आवश्यक pressure कम बल से हासिल किया जा सकता है
• Soviet वैज्ञानिकों ने hydraulic press के बजाय split-sphere device का उपयोग किया
  • इसमें reaction cell के चारों ओर inner और outer anvils को spherical structure में फिट किया जाता था, और hydraulic fluid के ज़रिए चारों तरफ से pressure देकर केंद्र cell में pressure केंद्रित किया जाता था

HPHT प्रक्रिया की chemistry और अशुद्धि नियंत्रण

• belt press, cubic press और split-sphere devices pressure transfer के तरीक़े में अलग हैं, लेकिन reaction cell की chemistry एक जैसी है
  • graphite उच्च दाब और उच्च तापमान पर metal solvent और छोटे diamond seed की मदद से हीरे में बदलता है
• कम pressure और temperature पर graphite carbon का सबसे स्थिर phase होता है
  • graphite 2D sheet structure वाला पदार्थ है, और हर carbon atom तीन carbon atoms से covalent bond बनाता है
• ऊँचे pressure पर diamond carbon का अधिक स्थिर रूप बन जाता है
  • हर carbon atom चार carbon atoms से covalent bond बनाकर सघन 3D lattice बनाता है
• graphite को सीधे diamond में बदलने के लिए 15GPa और 3,000°C पर structural transformation होता है, लेकिन uniform temperature और pressure बनाए रखना कठिन होता है, इसलिए छोटे और खुरदरे हीरे बनना आसान है
• निर्माता metal solvent catalyst का उपयोग करके आवश्यक स्थितियाँ कम करते हैं
  • diamond seed, graphite और iron जैसे transition-metal solvent को 1,300°C–1,800°C तक गर्म किया जाता है और 5–7GPa pressure दिया जाता है
  • molten metal graphite को घोलकर उसे अलग-अलग carbon atoms में तोड़ देता है
  • seed को metal से कम तापमान पर रखा जाए तो carbon atoms seed की सतह पर precipitate होकर diamond growth करते हैं
  • इस प्रक्रिया में कई हफ्ते लगते हैं, लेकिन direct synthesis की तुलना में इसे नियंत्रित करना आसान होता है, और इससे बड़े, अधिक शुद्ध और अधिक consistent single crystals मिलते हैं
• synthesis में मुख्य रूप से नियंत्रित की जाने वाली अशुद्धियाँ nitrogen और boron हैं
  • nitrogen हीरे को पीला बनाता है, और boron उसे नीला बनाता है
  • aluminum, titanium और zirconium जैसे getters nitrogen और boron को absorb करके उन्हें lattice में शामिल होने से रोकते हैं
  • अगर पीले या नीले हीरे चाहिए हों, तो निर्माण के दौरान nitrogen या boron आसानी से मिलाए जा सकते हैं
• गुलाबी हीरे nitrogen मिलाने के बाद irradiation और heating के ज़रिए nitrogen-vacancy center बनाकर तैयार किए जाते हैं, और यही defect गुलाबी रंग पैदा करता है
  • गुलाबी हीरे को room temperature पर quantum information को store और manipulate करने के साधन के रूप में प्रस्तावित किया गया है

CVD: प्रकृति की नकल न करने वाली निर्माण विधि

• 1950 के दशक में अमेरिकी औद्योगिक अनुसंधान संस्थानों और सोवियत विज्ञान अकादमी ने chemical vapor deposition (CVD) पर शोध किया, जो प्रकृति के उच्च-दाब और उच्च-तापमान हालात को पुनर्निर्मित नहीं करता
• CVD ऐसी निर्माण विधि है जिसमें रासायनिक अभिक्रिया कर रही वाष्प से ठोस पदार्थ जमा किया जाता है
  • हीरा बनाने के लिए कार्बन को उच्च तापमान पर परमाणु अवस्था की गैस में बदलना होता है, फिर ठंडा होने के दौरान उसे हीरे की संरचना में क्रिस्टलीकृत होने के लिए प्रेरित करना होता है
• Union Carbide के William Eversole ने 1958 के एक पेटेंट में लिखा कि यदि methane या carbon monoxide को 900–1,100°C के निम्न-दाब वातावरण में हीरे के seed के साथ गरम किया जाए, तो graphite की तुलना में diamond अधिक तेज़ी से जमता है
  • उस समय यह अप्रत्याशित परिणाम था, क्योंकि thermodynamics के हिसाब से graphite अधिक स्थिर माना जाता था
  • शुरुआती growth rate लगभग 0.01µm/h थी, जो व्यावसायीकरण के लिए बहुत धीमी थी
• Case Western Reserve University में John Angus की शोध टीम ने growth cycle और graphite cleaning cycle को बारी-बारी से चलाया, और पाया कि सफाई में इस्तेमाल होने वाले hydrogen को atomic hydrogen में तोड़ने पर अभिक्रिया तेज़ हो जाती है
• सोवियत शोधकर्ताओं ने पाया कि growth चरण में atomic hydrogen का उपयोग करने से graphite का बनना दबाया जा सकता है और बने हुए graphite को भी हटाया जा सकता है, इसलिए अलग cleaning चरण की ज़रूरत नहीं रहती और growth rate भी तेज़ हो जाती है
• जापान के National Institute for Research in Inorganic Materials के Mutsukazu Kamo, Seiichiro Matsumoto, Yoichiro Sato आदि ने गर्म tungsten filament, microwave और electric arc की मदद से hydrogen को atomic hydrogen में तोड़कर growth rate को कई µm/h तक बढ़ा दिया
  • इस शोध में विस्तृत विधियाँ सार्वजनिक की गईं, जिससे दूसरे वैज्ञानिक इसे दोहरा और आगे बढ़ा सके, और जापान, अमेरिका तथा यूरोप की कंपनियाँ, विश्वविद्यालय और शोध संस्थान इस क्षेत्र में शामिल हुए

आधुनिक CVD reactor कैसे काम करता है

• आधुनिक CVD reactor में कई diamond seeds को vacuum chamber में रखा जाता है, और reaction gas के रूप में अधिकतर hydrogen तथा आम तौर पर 1% से कम methane का उपयोग होता है
• diamond seeds को 800°C–1,200°C तक गरम किया जाता है, और microwaves hydrogen gas को 2,000°C–5,000°C तक गरम करके उसे atomic hydrogen में तोड़ देती हैं
• atomic hydrogen का कुछ हिस्सा diamond सतह के carbon के साथ अभिक्रिया करके hydrogen-terminated surface बनाता है, जो diamond crystal को graphite में पुनर्गठित होने से रोकता है
• साथ ही atomic hydrogen methane से एक hydrogen अलग करके methyl radical बनाता है, और इस radical का carbon diamond सतह से जुड़कर growth कराता है
• gem आकार के diamond बनने में इच्छित आकार के अनुसार कई सप्ताह लग सकते हैं
• CVD का बड़ा लाभ यह है कि reaction chamber को अत्यधिक दबाव नहीं सहना पड़ता, इसलिए निर्माण प्रक्रिया का अवलोकन और नियंत्रण अधिक आसान होता है
• CVD reactor, HPHT press की तुलना में capital intensity में कम होता है
• निर्माता तापमान, दबाव, reaction time और reaction gas में impurities के नियंत्रण के जरिए भौतिक, यांत्रिक, तापीय और optical गुणों को बहुत सटीक रूप से डिज़ाइन कर सकते हैं
• reaction chamber का pressure थोड़ा बढ़ाने, अधिक शक्तिशाली microwave इस्तेमाल करने, या catalyst में थोड़ी मात्रा में nitrogen और oxygen मिलाने जैसे सुधारों से बड़े और gem-quality diamond उगाना संभव हुआ है

सिंथेटिक हीरों की पहचान कैसे की जाती है

• शुद्ध अवस्था में सिंथेटिक diamond और प्राकृतिक diamond भौतिक, रासायनिक और optical रूप से समान होते हैं
• विशेषज्ञ दोनों में फर्क करने के लिए निर्माण के दौरान शामिल हुई impurities और growth pattern देखते हैं
• निर्माण तकनीक बेहतर होने के साथ सिंथेटिक diamond, पृथ्वी के भीतर बने diamond की तुलना में अधिक शुद्ध बनाए जा सकते हैं
• बाज़ार के ऊपरी स्तर पर सिंथेटिक diamond और प्राकृतिक diamond को नंगी आंख से अलग नहीं किया जा सकता
• प्राकृतिक diamond में लगभग हमेशा nitrogen होता है
  • अधिक nitrogen पीला या भूरा रंग बना सकता है, और रंगहीन diamond में भी इसे optical spectroscope से पकड़ा जा सकता है
  • nitrogen-रहित प्राकृतिक diamond बहुत दुर्लभ और महंगे होते हैं
  • सिंथेटिक diamond में nitrogen को लगभग हमेशा बाहर रखा जाता है
• HPHT diamond में निर्माण में इस्तेमाल हुए metal catalyst के निशान हो सकते हैं
  • यदि सांद्रता अधिक हो, तो iron और cobalt impurities को शक्तिशाली magnet से भी पहचाना जा सकता है
• CVD diamond में कभी-कभी graphite शामिल होता है, जो छोटे बिंदुओं, धूमकेतु जैसी आकृति, या चपटे बादल जैसा दिख सकता है
• HPHT diamond आम तौर पर अपेक्षाकृत समान दबाव में बढ़ते हैं, इसलिए cubic और octahedral दिशाओं में वृद्धि के निशान सूक्ष्म grain lines के रूप में रह सकते हैं
• CVD diamond परत-दर-परत जमा होते हैं, इसलिए वे cubic होते हैं
• पहचान मुश्किल होने के कारण grading संस्थाएँ सिंथेटिक diamond के किनारे पर 20x magnification में दिखने वाला LG या Laboratory-Grown अंकित करती हैं

रत्न बाज़ार में बदलाव

• सगाई की अंगूठी में diamond इस्तेमाल करने की परंपरा De Beers cartel की advertising campaign से स्थापित हुई
  • महामंदी के दौर में diamond की बिक्री घटने पर De Beers ने Hollywood कलाकारों और socialites का उपयोग करके diamond ring को प्रपोज़ल से जोड़ दिया
  • “A Diamond Is Forever” वाक्यांश इस्तेमाल किया गया, और पुरुषों को अपनी आय का एक निश्चित हिस्सा खर्च करना चाहिए, यह संदेश भी फैलाया गया
• यह परंपरा इसलिए कामयाब रही क्योंकि लोग सामाजिक रूप से मान्य प्रतिबद्धता के संकेत चाहते थे
  • ऊँची कीमत, संपत्ति और प्रतिबद्धता दिखाने वाला महँगा संकेत थी
  • साथ ही कभी यह विवाह-प्रतिज्ञा टूटने के खिलाफ एक तरह के बीमा की तरह भी काम करती थी
• सिंथेटिक diamond प्राकृतिक diamond से अलग करना कठिन है, लेकिन वे बहुत सस्ते हैं और उनकी कीमतें भी गिर रही हैं, जिससे पुराना संतुलन हिल रहा है
• Paul Zimnisky के आँकड़ों के अनुसार, 1-carat near-colorless, very slightly included round brilliant सिंथेटिक diamond की कीमत 2016 में 5,440 डॉलर से गिरकर 2024 में 1,325 डॉलर रह गई
  • उसी तरह का प्राकृतिक diamond 6,538 डॉलर से घटकर 5,035 डॉलर पर आया
• The Knot ने 2023 में विवाह करने वाले लगभग 10,000 जोड़ों के सर्वे में पाया कि सगाई की अंगूठियों में सिंथेटिक diamond 46% और प्राकृतिक diamond 39% थे
  • सिंथेटिक diamond की हिस्सेदारी 2019 के 12% से बढ़ी है
• diamond सगाई के प्रतीक के रूप में बना रहेगा, लेकिन स्वयं पत्थर धन या त्याग के प्रतीक के रूप में अपनी ताकत खो देगा
• जैसे-जैसे सिंथेटिक diamond अधिक साफ, रंगहीन या और भी चमकीले रंगों में बनाए जा सकते हैं, उपभोक्ता cutting, polishing, setting design और manufacturing quality से अधिक अपेक्षा कर रहे हैं
• पूरी तरह से कटे हुए round brilliant में ही दिखने वाला hearts and arrows optical pattern इस बदलाव का एक उदाहरण है
  • International Gemological Institute ने बढ़ती मांग के अनुसार grading certificate में hearts and arrows pattern की मौजूदगी दर्ज करना शुरू किया है

औद्योगिक हीरों के मौजूदा उपयोग

• अधिकांश diamond रत्न नहीं बल्कि औद्योगिक उपयोग के लिए बनाए जाते हैं
• diamond के भौतिक, optical, तापीय, रासायनिक, यांत्रिक और विद्युत गुण उत्कृष्ट होते हैं, इसलिए उनका उपयोग manufacturing, construction, mining, medical और electronics में होता है
• प्राकृतिक diamond में impurities अधिक होती हैं, इसलिए औद्योगिक उपयोग में उनका प्रदर्शन सिंथेटिक diamond से कम होता है
• सिंथेटिक diamond को आवश्यक specifications के अनुसार अधिक स्थिरता और कम लागत में बनाया जा सकता है, इसलिए औद्योगिक बाज़ार में वे दशकों पहले से प्राकृतिक diamond से आगे हैं
• सबसे आम उपयोग कठोर cutting edges, drill bits, grinding और polishing tools, तथा abrasives हैं
  • इन्हें metal coating में जड़कर या metal core पर लगाकर ऐसे saw बनाए जा सकते हैं जो पत्थर, concrete, asphalt, brick, glass, ceramic और metal को काटें
• polycrystalline diamond drill bit, उच्च-दाब और उच्च-तापमान में diamond कणों को fusion करके बनाया जाता है, और oil तथा gas drilling में tungsten carbide से अधिक मजबूत, तेज़ और टिकाऊ होता है
  • कई km गहरे कुओं में घिस चुके drill bit को बदलने के लिए पूरी drill string को ऊपर खींचकर अलग करना पड़ता है
  • diamond-tip drill bit इस तरह के replacement की ज़रूरत घटाकर लागत बचाते हैं
  • कुछ बहुत कठोर चट्टानों में diamond bit के बिना drilling असंभव होती है
• glass, stone, ceramic और दाँतों में छेद करने के लिए भी diamond-tip drill bit इस्तेमाल होते हैं
• जैसे-जैसे अधिक मजबूत alloys, polymers, ceramics और composites विकसित होंगे, उन्हें काटने और प्रोसेस करने के लिए diamond tools की ज़रूरत और बढ़ सकती है

optics और laser में संभावनाएँ

• diamond पारदर्शी होता है, गर्मी को तेज़ी से फैलाता है, और उच्च तापमान पर बहुत अधिक फैलता नहीं, इसलिए optical material के रूप में इसकी बड़ी संभावना है
• high-power laser का उपयोग cutting, welding, sensing, ignition और medical surgery में होता है, लेकिन मौजूदा components अधिक गर्मी से क्षतिग्रस्त या degrade हो जाते हैं, जिससे output सीमित हो जाता है
• thermal lensing वह घटना है जिसमें ऊँचा और असमान तापमान laser optical window के refraction को बदल देता है और beam का focus तथा alignment बिगाड़ देता है
• diamond की thermal conductivity और optical transmission अच्छी होती है, और इसका refractive index तापमान से बहुत अधिक नहीं बदलता, इसलिए यह laser window material के लिए उपयुक्त है
• diamond को laser के भीतर दूसरे components को ठंडा करने वाले heat spreader के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जिससे उत्पन्न की जा सकने वाली अधिकतम output बढ़ सकती है
• diamond को प्रकाश को amplify करने वाले active laser medium के रूप में इस्तेमाल करने पर भी शोध चल रहा है
  • इसके लिए प्रकृति द्वारा मिलने वाले diamond से बड़े, अधिक शुद्ध और संरचनात्मक रूप से अधिक परिपूर्ण diamond चाहिए

सेमीकंडक्टर material के रूप में हीरा

• हीरा अपनी उत्कृष्ट thermal conductivity और wide bandgap की वजह से सेमीकंडक्टर के रूप में भी promising है
• हीरे की lattice की नियमितता और मजबूत बंधन heat को तेज़ और कुशलता से transfer करने देते हैं
• wide bandgap का मतलब है कि यह उच्च तापमान और voltage को संभाल सकता है, इसलिए engine, radio tower, drilling equipment, spacecraft, solar panel और power grid जैसे extreme-condition devices में उपयोगी है
• silicon की thermal conductivity 1.5W/cm·K है, जबकि हीरे की 22W/cm·K है
  • microchip में transistor की संख्या बढ़ने और chip के छोटे होने के साथ heat dissipation की समस्या बढ़ी है
  • heat microchip की performance घटाती है और यह सीमित करती है कि transistor को कितना सघन रखा जा सकता है
  • हीरा मौजूदा silicon-based chip में भी heat spreader के रूप में पहले से इस्तेमाल हो रहा है
• हीरे का bandgap 5.45eV है, जो silicon के 1.1eV से बड़ा है
  • electrical breakdown value हीरे के लिए 10mV/cm और silicon के लिए 0.3mV/cm है
  • हीरा power generation और distribution जैसे high-voltage उपयोगों के लिए अधिक उपयुक्त है
  • समान voltage पर कम material की आवश्यकता होती है, इसलिए chip को और छोटा बनाया जा सकता है
• electron और hole mobility भी wide-bandgap सेमीकंडक्टरों की तुलना में तेज़ है
  • conservative estimates के अनुसार electron mobility 1,000cm²/Vs और hole mobility 2,000cm²/Vs है
  • 4,500cm²/Vs electron mobility और 3,800cm²/Vs hole mobility की रिपोर्ट भी की गई है
  • silicon की electron mobility 1,500cm²/Vs और hole mobility 480cm²/Vs है

सेमीकंडक्टर-उपयोग के लिए हीरे की बाकी चुनौतियाँ

• हालिया प्रगति के बावजूद, वर्तमान में हीरा silicon से लगभग 10,000 गुना महंगा है
• सेमीकंडक्टर manufacturing के लिए ज़रूरी diamond substrate अभी बनाए जा सकने वाले आकार से बड़े होने चाहिए
  • silicon wafer का व्यास 300mm तक बनाया जा सकता है
  • HPHT से बने diamond wafer अभी 10mm तक सीमित हैं
  • CVD diamond wafer थोड़े बड़े बनाए जा सकते हैं, लेकिन उनमें defects ज़्यादा होते हैं, इसलिए सेमीकंडक्टर के रूप में उनकी उपयोगिता आम तौर पर कम रहती है
• इससे भी अधिक तात्कालिक समस्या doping है
  • शुद्ध हीरा एक electrical insulator है, इसलिए इसे सेमीकंडक्टर के रूप में इस्तेमाल करने के लिए electron-donor impurities या electron-acceptor impurities डालनी पड़ती हैं
• p-type diamond सेमीकंडक्टर बनाना तुलनात्मक रूप से बहुत कठिन नहीं है
  • boron में carbon की तुलना में एक electron कम होता है, इसलिए यह electron acceptor है, और manufacturing के दौरान impurity के रूप में डालने पर lattice में अच्छी तरह शामिल हो जाता है
• n-type diamond सेमीकंडक्टर बनाना कठिन है
  • nitrogen में अतिरिक्त electron होता है, लेकिन उसे conduction band में भेजने के लिए बहुत अधिक energy चाहिए
  • phosphorus अधिक promising है, लेकिन carbon से बड़ा होने के कारण इसे घनी diamond lattice में डालना कठिन है, और electron छोड़ने के लिए ज़रूरी energy भी अभी ऊँची है
  • high-temperature n-type diamond सेमीकंडक्टर में आवश्यक activation energy पाना अपेक्षाकृत आसान है, लेकिन room-temperature सेमीकंडक्टर के लिए अधिक उपयुक्त electron donor चाहिए
  • room-temperature n-type donor की खोज अभी भी एक खुली समस्या है

निष्कर्ष: प्राकृतिक से बेहतर कृत्रिम material

• प्रकृति mantle की गहराई में उच्च ताप और उच्च दबाव पर carbon-containing fluids को धीरे-धीरे crystallize करके हीरा बनाती है, और volcanic eruptions उसे सतह तक ले आते हैं
• mining एक गंदी प्रक्रिया है, और ज़मीन से 1 carat पाने के लिए 1,000 ton मिट्टी खोदनी पड़ती है
• अधिकांश प्राकृतिक हीरे देखने में अच्छे नहीं होते, उनका रंग बदला हुआ होता है और उनमें impurities बहुत होती हैं
• प्रयोगशाला में कम समय और कम संसाधनों से अधिक शुद्ध, अधिक सुंदर और अधिक टिकाऊ हीरे बनाए जा सकते हैं
• ज़रूरत पड़ने पर specific impurities डालकर उनकी optical, mechanical और electrical properties बदली जा सकती हैं
• शुरुआती synthetic diamond HPHT से बनाए गए थे, जो पृथ्वी के भीतर बनने की प्रक्रिया की नकल करता है, और अब CVD से भी बनाए जाते हैं, जिसे प्रकृति में कभी देखा नहीं गया
• इस धारणा के विपरीत कि प्राकृतिक चीज़ें अच्छी होती हैं और मानव-निर्मित चीज़ें निम्न या हानिकारक होती हैं, materials science में steel, plastic, polyester, concrete, ceramic और glass जैसे प्राकृतिक पदार्थों से बेहतर कृत्रिम materials बहुत पहले से मौजूद हैं
• synthetic diamond इसका एक और उदाहरण है कि मानव बुद्धि और वैज्ञानिक पद्धति प्रकृति के परिणामों को बेहतर बना सकती है

[GN⁺]

Hacker News पर राय

• अच्छा लेख है, और इसमें पूरा इतिहास अच्छी तरह समाया है
  कमर्शियल पक्ष में भी काफी प्रगति हुई है। Alibaba पर "diamond making machine" खोजें तो हाई-प्रेशर, हाई-टेम्परेचर 6-sided press करीब 200,000 डॉलर में खरीदी जा सकती है, और chemical vapor deposition उपकरण भी लगभग इसी कीमत पर मिलते हैं
  डायमंड कार्टेल De Beers के पास Element Six नाम का R&D संगठन है और वह लेज़र जैसे विशेष उपयोगों के लिए synthetic diamond बेचता है। तकनीक का स्तर इतना ऊपर पहुंच चुका है कि defects को 1 part per billion तक घटाया जा सकता है, और 10cm व्यास वाली लेज़र diamond window भी बनाई जा सकती है। यह gem grade से कहीं आगे है
  natural diamond पक्ष में भी, पत्थरों को क्रश करने से पहले industrial X-ray से diamond ढूंढने की तकनीक अच्छी तरह काम कर रही है, और हाल ही में 2500-carat diamond भी मिला। TOMRA भी इस उपयोग के लिए sorter बनाता है, और अब gem के तौर पर इस्तेमाल करने के लिए बहुत बड़े विशाल diamonds भी लगभग oversupply की स्थिति में हैं
  cutting और polishing finishing processes भी automate हो चुकी हैं, और उपकरण मुख्यतः चीन और भारत से आते हैं। अब diamond ऐसी चीज बन गया है जिसे प्लास्टिक बैग में किलो के हिसाब से खरीदा जा सकता है
  [1] https://e6-prd-cdn-01.azureedge.net/mediacontainer/medialibr...
  [2] https://www.forbes.com/sites/amandakooser/2024/08/23/monster...
  [3] https://ikcabstracts.com/index.php/ikc/article/download/4101...

  • लेज़र के लिए यह निश्चित रूप से अच्छी खबर है। बहुत लोगों को पता नहीं कि diamond इस उपयोग के लिए कितना अच्छा है
    इसका refractive index कांच से 65% ज्यादा है, thermal conductivity तांबे की 8 गुना तक है, और यह पूरी तरह scratch-resistant है
  • चीनी भाषा में diamond का शाब्दिक अर्थ drill stone होता है, इसलिए यह gem की तुलना में abrasive के रूप में इसके उपयोग को बेहतर दिखाता है
  • अगर 10cm व्यास वाली लेज़र diamond window बनाई जा सकती है, और इसे प्लास्टिक बैग में किलो के हिसाब से खरीदा जा सकता है, तो diamond cookware की भी उम्मीद की जा सकती है
    induction के लिए 430 stainless steel की पतली layer, diamond wafer, और फिर stainless steel की पतली layer वाला pan किसी भी heat source पर लगभग पूरी तरह evenly heating दे सकता है
  • सोचता हूं gem business कैसे टिकेगा। यह PlayStation युग के Sony CD-R drive जैसा लगता है
  • अगर 10cm व्यास वाली लेज़र diamond window संभव है, तो जल्द ही chip के लिए diamond wafer भी देखने को मिल सकते हैं
    processed wafer की कीमत जितनी बढ़ती है, raw material wafer cost का हिस्सा उतना छोटा होता जा रहा है। इसमें X-ray lithography भी जुड़ जाए, तो Moore's law काफी लंबे समय तक चल सकता है

• पिछले 10 सालों में चीन और भारत में सस्ते lab-grown diamonds और moissanite बनाने वालों की संख्या विस्फोटक रूप से बढ़ी है
  10 साल पहले उचित कीमत पर high-quality lab-grown diamond ढूंढना मुश्किल था, और moissanite भी 400–600 डॉलर प्रति carat के हिसाब से काफी महंगा था
  अब कड़ी competition और कीमतों को नीचे तक ले जाने की रणनीति की वजह से lab-grown diamonds आम हैं, quality भी बहुत ऊंची है, और अक्सर 200 डॉलर प्रति carat से कम में मिल जाते हैं: https://detail.1688.com/offer/751071300271.html
  moissanite retail price पर भी 5 डॉलर प्रति carat से कम है: https://detail.1688.com/offer/586468555080.html
  मैंने खुद खरीदा था और वे असली थे। अगले 10 सालों में diamonds अपनी लगभग पूरी value खो देंगे, ऐसा लगता है। moissanite तो पहले ही synthetic ruby की तरह लगभग value-less हो चुका है, और लगता है इन gems के नए industrial uses खुलेंगे

  • diamond का उपयोग सिर्फ सुंदर दिखने के अलावा भी बहुत जगह है
    diamond files, diamond cutting blades, wheels, drills हैं, और glass भी बनाया जा सकता है। कीमत के कारण इन्हें सचमुच जरूरत वाले labs में ही इस्तेमाल किया जाता है, लेकिन उपयोग और भी ज्यादा हैं
    इनमें से कई uses में size, quality, transparency की ज्यादा परवाह नहीं होती। gem processing के waste या rejects पर निर्भर रहने के बजाय इन्हें सीधे बनाकर supply सुनिश्चित की जा सकती है
    synthetic diamond prices में गिरावट की वजह से diamond cutting wheels और file tools सस्ते और आम हो गए हैं, यह खास तौर पर अच्छा है। अब Amazon पर diamond file set 10 डॉलर से कम में खरीदा जा सकता है, जो काफी हैरान करने वाली बात है
  • अगर De Beers का पतन देखने को मिला तो मुझे बहुत खुशी होगी
    100 साल से ज्यादा टिके रहना भी आश्चर्यजनक है, लेकिन चालाक marketing और supply control से diamond prices को कृत्रिम रूप से ऊपर रखना productive नहीं है
  • professional glass cutting tools जैसे उपयोगों को छोड़ दें तो इसकी मूलतः कोई value नहीं थी
    De Beers ने उन चमकदार पत्थरों के लिए, जिन्हें कोई खरीदना नहीं चाहता था, “जिस महिला को propose कर रहे हो, उसके सामने अपनी worth साबित करो” जैसी काल्पनिक marketing चलाई, और अनजान लोग manipulate होकर खरीदने लगे
    diamonds अंतरिक्ष में भी बहुत आम हैं, और शायद पृथ्वी की गहराइयों में भी आम होंगे। price correction एक स्वस्थ बदलाव है और long term में मानवता के लिए फायदेमंद है। अफ्रीका पर पड़े असर जैसी चीजों में कोई अच्छी बात नहीं थी, और एक ऐसी समस्या जिसकी किसी को परवाह नहीं थी, दूसरे रास्ते से हल हो रही है
  • आसपास के radio ads में बड़े jewellers लगातार यह message दे रहे हैं कि synthetic diamond खरीदना खराब है क्योंकि उसकी value कायम नहीं रहेगी
    वे पहले से जानते हैं कि क्या आने वाला है
  • अगर आप artificial diamond की बात कर रहे हैं तो सही है। लेकिन natural diamonds handicrafts की तरह अपनी कीमत बनाए रख सकते हैं
    भविष्य में इंसानों द्वारा बनाया गया content भी कुछ ऐसा ही हो सकता है। यह status signal का मामला है कि आप अधिक inferior और महंगा product खरीद सकते हैं

• अगर आप inventor या engineer बनने का सपना देखते हैं, तो ध्यान से देखना चाहिए कि GE में Hall के साथ कैसा बर्ताव हुआ
  उन्होंने management की ओर से हर तरह की बाधाएँ डाले जाने के बावजूद game-changing technology ईजाद की, लेकिन बदले में उन्हें सिर्फ 10% वेतन वृद्धि और 10 डॉलर का savings bond मिला
  अगर उन्होंने यह अकेले किया होता, तो वे पूरी दुनिया को synthetic diamonds सप्लाई करके बेहद अमीर बन सकते थे। बशर्ते कि पूर्व नियोक्ता के साथ कोई कानूनी विवाद न होता, वे full-time इस technology को और आगे भी विकसित कर सकते थे
  ताकतवर लोग किसी चीज़ को अच्छा idea नहीं मानते, इसका मतलब यह नहीं कि वह सचमुच खराब idea है। बेशक इसका मतलब यह भी नहीं कि वह अच्छा idea ही है, लेकिन अगर वे आपको उसे बनाने से मना कर रहे हैं, तो किसी शानदार idea को यूँ ही उनके हवाले करने के बजाय खुद बनाइए और जब वह सोने की खान बन जाए, तो फायदा खुद उठाइए

  • नीले LED के आविष्कारक के साथ भी ऐसी ही कहानी है
    https://en.wikipedia.org/wiki/Shuji_Nakamura#Careers

• कुछ समय से मुझे लगता है कि lab-grown diamonds mined diamonds से काफी सस्ते हो गए हैं। कई मामलों में 2–3 गुना तक सस्ते
  दिलचस्प बात यह है कि diamond जितना अधिक pure हो—यानी जितना साफ और कम impurities वाला—प्रति कैरेट कीमत बढ़ती जाती है, लेकिन जैसे ही वह इतना pure हो जाता है कि इसका मतलब natural नहीं बल्कि lab-made होना निकले, कीमत गिर जाती है

  • यह Veblen good है

• अपनी मौजूदा पत्नी को propose करने से 2 साल पहले ही मैंने diamonds के बारे में जानकारी जुटानी शुरू कर दी थी, और chemistry, history, marketing तक गहराई से पढ़ डाला था
  lab-made चुनने में कोई सोचने की जरूरत नहीं थी। DeBeers से एक खराब-सा 1 carat खरीदने जितने पैसे में मैंने एक बेदाग विशाल stone खरीद लिया
  एकमात्र अफसोस यह है कि कुछ साल बाद मैंने diamond के लिए जो कीमत दी, वह भी market rate से कहीं ज्यादा लगेगी, लेकिन खैर शादी तो कभी न कभी करनी ही थी। शायद शादी की 10वीं सालगिरह पर मैं उसे golf ball के आकार का diamond दिला दूँ

  • मुझे जिज्ञासा है कि अमेरिका में diamond शादी की अनिवार्य चीज़ क्यों और कैसे बन गया
    यह भी सोचता हूँ कि क्या आपकी fiancée सचमुच diamond की उम्मीद कर रही थी, या अगर वह कोई और ऐसी चीज़ होती जिसकी कीमत सिर्फ आप दोनों के लिए होती, तो क्या वह निराश होती
  • Moissanite तो बिना सोच-विचार वाला विकल्प लगता है
    यह कहीं ज्यादा चमकता है, सस्ता है, और कम से कम मेरे आसपास तो उतना ही शानदार माना जाता है
    हालांकि अगर सामने वाला “असली diamond” चाहता है, तो lab-made भी नहीं चलेगा

• पिछले साल engagement करते समय जब ring खरीदी, तो ऐसी जगह से खरीदी जहाँ प्रक्रिया इतनी अच्छी तरह set थी कि store में खुद जाने की जरूरत नहीं पड़ी, और वे lab-grown gems इस्तेमाल करते थे
  quality काफी अच्छी थी, रंग भी impressive थे, मेरी fiancée ने pink sapphire चुना, और कीमत भी उम्मीद से काफी कम थी
  इस समय मुझे सच में समझ नहीं आता कि कोई “real” diamond क्यों चाहेगा। कम पैसे में बेहतर gem मिल सकता है, ethical झिझक नहीं रहती, और अपनी पसंद का gem molecular level पर assemble किया जा सकता है—यह बात अपने आप में science nerd के नजरिए से जबरदस्त cool है

  • बहुत से लोग इंसान द्वारा design की गई चीज़ों में न मिलने वाली value प्राकृतिक वस्तुओं में देखते हैं
    उनमें raw energy और एक कहानी होती है। क्या engineers द्वारा बनाया गया भव्य waterfall, जो एक सुंदर factory-made चट्टान पर बहता हो, उतना ही awe पैदा कर सकता है जितना हजारों साल की geological processes से बना waterfall?

• “Lab diamonds इस सिद्धांत का प्रमाण हैं कि प्रकृति जो कर सकती है, इंसान उसे बेहतर कर सकता है” वाला वाक्य, एक दिलचस्प लेख में झलकता गहरा अहंकार लगता है

  • अच्छा होता अगर हम भी लोहे को सोने में बदल पाते, जैसे प्रकृति supernova में करती है
  • “बेहतर करना” इतना मुश्किल नहीं है, अगर मूल्यांकन के मानदंड आप मनमाने ढंग से चुन सकें

• natural diamonds पहले से ही बड़े पैमाने पर, बस धीरे-धीरे, बिक रहे हैं। industry के लोग लंबे समय से जानते थे कि ऐसा समय आएगा
  यह classic bagholder समस्या बन जाती है
  कुछ देशों में individuals या families ने लंबे समय तक जो inventory जमा कर रखी थी, उसकी value अब बहुत कम हो गई है। diamond industry की संरचना हर देश में अलग है, लेकिन जहाँ individual dealers के पास ज्यादा inventory है, वहाँ synthetic stones का विरोध करने की incentive ज्यादा है
  मैंने Turkey में खुद देखा। करीब डेढ़ साल पहले मैंने अपनी fiancée को बहुत अच्छी moissanite ring दी थी, लेकिन जब jewellers को दिखाई, तो उनमें से ज्यादातर को “शादी की बधाई, लेकिन मैं सिर्फ real stones ही deal कर सकता हूँ। ऐसी चीज़ों को तो देखना भी नहीं चाहिए” जैसा attitude खास तौर पर दिखाना पड़ा
  उन्हें दोष देना मुश्किल है। ऐसे कई family-run stores के पास सालों में जमा की गई natural diamonds की सैकड़ों हजार से लेकर लाखों dollars की inventory है, और अब ऐसी चीज़ आ गई है जो कीमत के सिर्फ एक हिस्से में मिलती है और हर मायने में बेहतर है
  दुनिया के कुछ हिस्सों में lab-made gems के प्रति resistance हिंसक भी रहा है। लेकिन natural diamond industry कहीं ज्यादा हिंसक है, और diamond mining का तरीका जल्द ही अतीत की बात बनते देखना अच्छा है

• diamonds पर विचार करते समय resale value भी देखनी चाहिए। यह बेहद खराब है
  अगर कोई चीज़ practically घिसनी ही नहीं चाहिए, तो use के बाद कोई उसके लिए जो कीमत देने को तैयार हो, वह असली कीमत के करीब होनी चाहिए

• यह बात कुछ शर्तें जोड़ दें तो सही है
  अगर आपकी दिलचस्पी investment grade diamonds में है, जिन्हें बड़े auction houses संभाल सकें, तो आपको ऐसे बड़े carat weight या fancy colours दिखेंगे जहाँ synthetic stones अभी नहीं पहुँचे हैं
  diamond trading में 100 carat से ज़्यादा के flawless या लगभग flawless rough stones को कभी-कभी “paragon” भी कहा जाता है, और इसके प्रसिद्ध उदाहरणों की लंबी सूची है, लेकिन gem-grade synthetic stones में सबसे बड़ा अभी तक करीब 30 carat का ही है, मेरी जानकारी में। vivid colours के मामले में सीमा इससे कहीं छोटे size पर आ जाती है
  फिर भी, लगता है कि कुछ दशकों में वे प्रकृति से आगे निकल सकते हैं। कम से कम पृथ्वी के diamonds के मामले में तो ऐसा है; मुझे कहीं पढ़ा याद है कि चंद्रमा के आकार का कोई space diamond भी खोजा गया था

  • vivid colours तो एक मामूली engineering problem है, और चीन इसे पहले ही हल कर चुका है। Screenshot: https://ibb.co/s6gWTy1
    कीमतें ऊँचे tower से गिरते पत्थर की तरह तेज़ी से नीचे आ रही हैं, और colours व choices भी बढ़ रहे हैं। 10 साल के अंदर, common colours में लगभग कोई भी diamond 2014 के 2-carat rough stone से सस्ता खरीदा जा सकेगा
    अगर आपको विशाल gems पसंद हैं, तो अभी भी 1000-carat moissanite खरीदा जा सकता है। Amazon.com पर 100-carat का उदाहरण भी है: https://www.amazon.com/Gemonite-15CT-100CT-Moissanite-Colorl...
    10 साल पहले यह कल्पना से बाहर था। diamond और gems industry तेज़ी से बदल रही है
  • अगर आपकी दिलचस्पी investment grade diamonds में है, तो मेरे हिसाब से अब बाहर निकलने का समय है
    diamonds कभी भी उतने rare नहीं थे जितना investors मानना चाहते हैं, और हालात और बिगड़ेंगे
  • अगर diamond चंद्रमा के आकार का है, तो क्या इसका मतलब चंद्रमा जितना बड़ा pure carbon single molecule होगा? इतने scale पर gravity क्या असर डालेगी, यह जानने की उत्सुकता है
  • “investment grade” कहना मज़ेदार है। इस बेतुके concept को speculative grade कहना कम शर्मनाक होगा